H62雙相黃銅的疲勞開裂行為

【摘 要】 本文通過對H62雙相黃銅進行疲勞實驗，研究了軟硬兩相結合界面的疲勞開裂行為，對由塑性相與脆性相組成的兩相界面的疲勞開裂行為進行了討論，并得出相關實驗結果。

【關鍵詞】 黃銅 相界 滑移帶 循環軟化 疲勞裂紋

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2016.02.009

1 前言

隨著工業的日益發展，機械構件承受越來越苛刻的循環載荷作用，而最終其往往在遠低于材料強度的應力下發生突然失效，工程上將這種現象稱為“疲勞失效”[1]。隨著晶體生長技術的發展，人們通過制備單晶、雙晶乃至三晶金屬材料，對單相晶體材料的疲勞斷裂行為進行了系統深入的研究。通常認為其疲勞開裂易于在滑移帶、晶界及孿晶界等塑性變形集中處萌生并擴展[2-4]。

2 實驗內容

選用直徑為12mm的冷拔態H62黃銅合金（Cu-38at.%Zn）。使用電火花線切割設備加工為16mm×5mm×4mm（平行段尺寸）的疲勞樣品，并在氬氣保護氣氛中進行800°C退火2小時。實驗過程中，使用頻率為0.5Hz的三角波作為控制信號。選用2×10-4、5×10-4、1×10-3及2×10-3四組塑性應變幅，將樣品分別循環變形至10000周或發生斷裂失效。疲勞實驗前后，作用掃描電子顯微鏡（SEM）對樣品表面進行觀察。

3 實驗結果與討論

3.1 不同塑性應變幅下的循環變形行為

H62雙相黃銅合金在不同應變幅下的循環硬化曲線為軸向應力幅與循環周次的半對數坐標曲線，如圖1所示。首先，在不同塑性應力幅下，均出現明顯的循環硬化行為。但隨塑性應變幅地增加，一方面循環硬化速度逐步增加，另一方面，循環飽和行為與循環軟化行為出現在中、高塑性應變幅實驗中。當塑性應變幅進一步增加至2×10-3，循環軸向應力幅的增加速度進一步增加，但隨后卻出現明顯的循環軟化行為。這與低層錯能Cu-Zn合金的循環變形行為一致[5]。

3.2 塑性應變幅為1×10-3時的疲勞開裂行為

塑性應變幅為1×10-3時的疲勞開裂行為如圖2所示。該應變幅下塑性變形仍然主要集中在[α]相中，[β]相上沒有觀察到明顯的變形痕跡。這可理解為主滑移帶引起的塑性變形使[α]、[β]兩相出現極為明顯的變形不協調，為使兩相變形一致，[α]相中發生了另一方向的滑移行為，并迅速引起疲勞開裂。

3.3 塑性應變幅為2×10-3時的疲勞開裂行為

塑性應變幅為2×10-3時的疲勞開裂行為如圖3所示。

3.4 H62雙相黃銅的疲勞開裂機制

由上述實驗結果可知，H62雙相黃銅的塑性變形主要由塑性[α]相承擔，在交變載荷的作用下，[α]相中往復運動的位錯逐步引起材料的內在變化，并最終引起開裂。當塑性應變幅較小時，位錯運動主要集中于[α]相內部，而兩相界面處由于[α]相難以變形而少有位錯形成。隨著塑性應變幅的增加，聚集于[α]相內部的位錯進一步增加，將形成[α]相內部的滑移帶開裂。這種滑移帶開裂在塑性應變幅較大時可穿過兩相界面擴展，造成[α]相的開裂行為。

4 總結

本文通過系統研究了H62兩相黃銅的疲勞性能與變形行為，對由塑性相與脆性相組成的兩相界面的疲勞開裂行為進行了研究討論。研究結果表明：i）H62兩相黃銅在不同應變幅下均表現出循環硬化行為，但在中高應變幅下分別出現循環飽和與循環軟化兩種不同變形特征。ii）在中等應變幅下，疲勞開裂行為主要發生在承擔塑性變形的[α]相中，表現為[α]相內部的滑移帶開裂。iii）在高應變幅下，疲勞開裂主要表現為兩相界面的開裂行為，這種裂紋可由平等滑移帶與塞積位錯兩種方式產生；同時形成于[α]相中的滑移帶裂紋也時有穿過相界形成大裂紋的情況出現。

參考文獻

[1]K.Han，A.A.Vasquez，Y.Xin P.N.Kalu，Acta Mater.51 767 （2003）.

[2]H.Mughrabi，F.Ackermann，K.Herz，ASTM STP 811 5 （1983）.

[3]Z.F.Zhang，Z.G.Wang，Prog.Mater.Sci.53 1025（2008）.

[4]Z.F Zhang，Z.G.Wang，Acta Mater.51 347（2003）.

[5]P.Zhang，Q.Q.Duan，S.X.Li，Z.F.Zhang.Philos Mag 88 2487 （2008）.

作者簡介

宋篪，工程師，碩士，從事檢測研究。